Chapitre I - Introduction, cycle de l eau et bilan hydrique

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1 Chapitre I - Introduction, cycle de l eau et bilan hydrique Eau ; généralités Répartition # Environ 97% de l eau est contenue dans les océans. # Dans les 3% d eau douce restant, 68% sont stockés dans les calottes glaciaires ainsi que dans les glaciers, 31% sont contenus dans les nappes phréatiques (eau souterraine) et! 1% est considéré comme de l eau de ruissellement ou eau de surface. # Cette eau de surface est repartie à 87% dans les lacs, 11% dans les marais et 2% dans les rivières. Temps de résidence # C est le temps nécessaire pour apporter à un réservoir un volume égal à sa capacité brute de stockage, sur la base de la valeur moyenne des apports # Rapport entre le volume du réservoir et l apport des flux entrants/sortants Océans Calottes glaciaires Eaux souterraines Eaux du sol Lacs Cours d eau Eau atmosphérique Biosphère Réservoir Temps de renouvellement 2500 ans '000 ans 1500 ans 1 an ans jours 8 jours Quelques heures Eau ; propriétés physiques # Incolore, inodore et insipide (pas de couleur, pas d odeur et pas de goût) # Vu sa structure moléculaire, il en découle que : o o L eau est un solvant universel L eau est adhésive et élastique " Il en résulte une tension de surface ou tension superficielle (l eau est à l interface entre 2 surfaces différentes) # La chaleur spécifique de l eau étant élevée (énergie à amener pour changer l eau d un degré), l eau a un effet modérateur (grâce à l inertie thermique des grandes zones d eau, les climats peuvent en être affecté par cet effet) # L eau a une densité maximale à 4 C, ce qui permet à la glace de flotter # À l état pur, l eau a un ph neutre (=7) o o o Le ph est la mesure de la quantité relative d hydrogène libre et d ions d hydroxyle dans l eau (H+: acide // OH- : basique). Le ph est un indicateur des changements chimiques de l eau Il détermine la solubilité dans l eau et l aptitude biologique des composés chimiques [nutriments; phosphore, azote et carbone // métaux lourds ; plomb, cuivre, cadmium, etc.]!"

2 Eau ; généralités # L eau est un élément unique sur Terre car il se trouve dans ses 3 états (liquide, solide, gazeux) # Un changement d état se traduit par un échange d énergie, et donc par un échange de chaleur Changement d état = f (T, P, pollution) Absorption d énergie Fusion Evaporation Sublimation Libération d énergie Gel Condensation Dépôt Relation entre l eau et la dynamique terrestre # Energie solaire (eau dans l atmosphère) # Gravité (atmosphère, eau souterraine, écoulement surface) # Attraction solaire et lunaire (océans) # Pression atmosphérique (atmosphère) # Forces inter-moléculaires (zone non-saturée) # Réactions chimiques (qualité de l eau) Et bien sûr, les activités humaines Le cycle de l eau ou cycle hydrologique Généralités # C est un modèle conceptuel qui décrit le stockage et le mouvement de l eau entre la biosphère, l atmosphère, la lithosphère et l hydrosphère # À prendre en compte ; le cycle global, le cycle continental et le cycle océanique Processus physiques L eau est le principal agent de transport physique, chimique et biologique # Evaporation des lacs, océans et surfaces continentales: humidité atmosphérique; # Condensation: Nuages et précipitations liquides ou solides; # Interception par la végétation; # Infiltration dans la zone non-saturée; # Percolation et recharge des zones saturées; # Ecoulement de surface, de subsurface ou souterrain. Le cycle de l eau inclue tous les cheminements liés au stockage dans un réservoir et le mouvement de l eau dans ses 3 phases: liquide, gaz et solide. $"

3 Les composantes du cycle de l eau Précipitations Définition: eaux météoriques qui tombent sur la surface de la terre, sous forme liquide (bruine, pluie, averse) et sous forme solide (neige, grésil, grêle) et les précipitations déposées ou occultes (rosée, givre,...). 1. Provoquées par un changement de température ou de pression 2.a) Chlorides, en particulier NaCl produit par l'évaporation de la mer; 2.b) Poussière, fumée et autres particules entraînées par des courants d'air ascendants; poussières météoriques 3. Coalescence des gouttes d'eau Les précipitations se mesure comme telles ; Intensité (mm/h) / Lame d eau précipitée (mm) [1mm eau = 1l/m 2 ] Les causes des précipitations peuvent être triple : 1. Ascendance frontale a. une masse d'air froid entre en contact avec une masse d'air chaud. Étant donné que cette dernière est plus légère, elle glisse au dessus de la couche d'air froid, et est portée en altitude où la condensation se produit 2. Ascendance orographique a. lorsqu'une masse d'air humide aborde un relief, celle-ci s'élève pour le franchir, et donc se refroidit. A ce moment, l'air ne peut plus contenir la même quantité de vapeur d'eau, et celle-ci se condense 3. Convection a. mode de transfert qui implique un déplacement de matière dans le milieu, par opposition à la conduction thermique ou diffusion de la matière Evaporation Définition : passage de la phase liquide à la phase vapeur (Sublimation : passage direct de l'eau sous forme solide en vapeur). L évaporation est une composante fondamentale du cycle hydrologique et son étude est essentielle pour connaître le potentiel hydrique d'une région ou d'un bassin versant. Interception Définition : la pluie/neige retenue par la végétation, n'atteignant jamais le sol. Elles est souvent négligée en zone tempérée mais elle est non- négligeable en zones forestières avec une grande surface foliaire : < 30% de la pluie totale pour une forêt mixte! Infiltration/Percolation Définition : Mouvement de l'eau pénétrant dans les couches superficielles du sol et l'écoulement de cette eau dans le sol et le sous-sol, sous l'action de la gravité et des effets de pression. La percolation représente plutôt l'infiltration profonde dans le sol, en direction de la nappe phréatique. Ecoulement Plusieurs types d écoulement : # De surface # De subsurface # Souterrain %"

4 L'écoulement de surface ; # Rapport volume / surface / temps [L 3 /L 2 /t] # Millimètre par année hydrologique dans les études de bilans # Litres par secondes et par hectares dans le cadre de projet (drainage ou irrigation). Les écoulements souterrains et en rivière font explicitement référence à la notion de débit (volume d'eau traversant une section par unité de temps [L 3 /t]). Le bilan hydrologique Modèle mathématique du cycle de l eau À prendre en compte ; # Le principe de conservation de la masse # Les changements d état (physique) P = E + Rs ± #st P = précipitation (pluie, neige, rosée) (mm) E = évaporation et évapotranspiration (mm) Rs = écoulement (surface : rivières, fleuves, souterrain) (mm) #st = changement de volume d eau (sols, lacs, océans) (mm) Chapitre II Bassin versant et réponse hydrologique, bilan hydrique d un bassin versant Le bassin versant Généralités # Un bassin versant [BV] ou bassin hydrographique est une portion de territoire délimitée par des lignes de crête, dont les eaux alimentent un exutoire commun. # La ligne séparant deux bassins versants adjacents se nomme la ligne de partage des eaux. # Chaque bassin versant se subdivise en un certain nombre de bassins élémentaires ($sousbassin versant $ ou bassin partiel ou imbriqué) correspondant à la surface d alimentation des affluents. # Les head-catchment sont les bassins versants de tête. # Un bassin versant est un système ou surface élémentaire hydrologiquement close: aucun écoulement n y pénètre de l extérieur et tous les excédents de précipitations s évaporent ou s écoulent par une seule section à l exutoire. # Attention : o Le BV topographique ne correspond pas forcément au BV réel (zones karstiques ou poreuses, p. ex) o À l intérieur du BV, le cycle est souvent perturbé/capté " BV réel VS BV anthropique # Endoréisme: bassins versants pour lesquels le réseau hydrographique n est relié à aucun autre réseau. L eau est alors acheminée et concentrée en un point du bassin qui peut être un lac, une mare ou une accumulation souterraine. &"

5 La réponse d un bassin versant hydrologique Hydrogramme: graphique de l évolution du débit en fonction du temps Hyétogramme: courbe de l intensité de la pluie en fonction du temps Réponse du bassin versant # Temps de montée t m : temps qui s écoule entre l arrivée de la crue et le maximum de l hydrogramme) # Débit de pointe Q max o t m et Q max = f( I pluie, T c ) # Temps de concentration Tc : durée nécessaire à une goutte d eau pour parcourir le chemin hydrologique entre un point du bassin et son exutoire; Caractéristiques d un bassin versant Un bassin versant est caractérisé par : # Sa morphologie et sa morphométrie # La nature de son sol et sa géologie # La couverture végétale / l occupation du sol Caractéristiques géométriques et morphométriques # Surface : Aire de réception des précipitations et d alimentations des cours d eau # Forme du bassin versant : " lié à l indice de compacité de Gravelius o Si un bassin versant est long, avec des affluents étalés [Coeff. 1,6 p. ex], la réponse de l hydrogramme de crue sera plus longue o Si un bassin versant est large, avec des affluents concentrés [Coeff. 1,1 p. ex], la réponse sera rapide car toute l eau arrive en même temps o Le coefficient de Gravelius ; plus ça tend vers 1, plus le bassin est circulaire où P est le périmètre du BV [km] et A ou S l aire [km 2 ] Le relief / morphométrie # Une carte qui différencie les différentes tranches d altitude s appelle carte hypsométrique # Une courbe hypsométrique représente la répartition de la surface du BV en fonction de son altitude o Elle est obtenue en mesurant les surfaces comprises entre les courbes de niveau et en leur attribuant des pourcentages de la surface totale. # À partir de la courbe hypsométrique, on peut déduire : o L altitude moyenne où ;! A i est l aire comprise entre 2 courbes de niveaux! h i est l altitude moyenne entre 2 courbes de niveaux! A est la surface totale du BV o L altitude médiane, qui est l altitude lue sur la courbe hypsométrique, au point d abscisse 50% de la surface totale du bassin. o L altitude la plus fréquente (ou mode) o Et également l altitude min et max # Le rectangle équivalent : o Utile pour comparer facilement les BV entre eux o On imagine que le BV a une longueur L et une largeur I :! Les courbes de niveaux seront parallèles au côté I o Le tracé des droites de niveau du rectangle dépend directement de la répartition hyspométrique, c-à-d des pourcentages cumulés en tranches d altitude '"

6 La pente # Caractéristique importante qui renseigne sur la topographie du bassin, la vitesse des ruissellements et les temps de concentration (et donc de la réponse hydrographique). # La pente influence directement le débit de pointe lors d une averse. La pente moyenne d un BV (moyenne pondérée des pentes de toutes les surfaces élémentaires comprises entre deux altitudes données) est donnée par le rapport : i m : pente moyenne [m/km, ] L : longueur totale des courbes de niveaux [km] D : équidistance entre les courbes de niveaux [m] A : surface du BV [km 2 ] i m = D*L A La pente moyenne d un cours d eau est la vitesse avec laquelle l eau se rend à l exutoire, donc le temps de concentration, où : P moy ; la pente moyenne du cours d eau [m/km]!h max ; dénivellation maximale de la rivière [m] (différence d'altitude entre le point le plus éloigné et l exutoire) L ; longueur du cours d eau principal [km] Formules empiriques pour le calcul du temps de concentration [Tc] d un BV Kirpich ; Tc = Petits BV < 1km 2 Passini ; Tc = BV moyens > 40km 2 Ventura ; Tc = BV > 10 km 2, pentes faibles et/ou moyennes Unités : L ; longueur en [m] // P ; pente en m/m // A ; surface en km 2 La densité de drainage : Longueur totale du réseau hydrographique, par unité de surface du BV Dd : densité de drainage en km/km 2 Li : longueur d un affluent de ce BV [km] A : surface du BV [km 2 ] "Li Dd = A Topologie / Organisation du réseau hydrographique Déf : Ensemble des cours d eau naturels ou artificiels, permanents ou temporaires, qui participent à l écoulement Classification de Strahler : # Tout cours d eau dépourvu de tributaires est d ordre 1 # Le cours d eau formé par la confluence de deux cours d ordre différent prend l ordre du plus élevé # Le cours d eau formé par la confluence de cours d eau du même ordre prend +1 Le rapport de confluence [Horton et Schumm] : Loi des nombres : R B : rapport de confluence des cours d'eau ("bifurcation ratio") ; R L : rapport des longueurs des cours d'eau ; u : ordre d'un cours d'eau u varie entre 1 et w (w est l'ordre du cours d'eau principal, classification selon Strahler) ; N u : nombre des cours d'eau d'ordre u ; N u+1 : nombre des cours d'eau ("

7 Loi des longueurs : d'ordre suivant ; L u : longueur moyenne des cours d'eau d'ordre u; L u-1 longueur moyenne des cours d eau d ordre u-1 Caractéristiques pédologiques Un sol agit sur l hydrologie d un cours d eau par ses propriétés mécaniques (structure et texture) qui régissent sa perméabilité : # Le substratum peu être compact et peu poreux. Il est alors imperméable ou peu perméable. Ruissellement important. # Le substratum peut aussi être meuble et poreux. Il est alors plus perméable à l eau. Ruissellement moins important. Le sol est généralement un mélange d'éléments plus ou moins fins ou plus ou moins grossiers. Plus les particules sont de grandes tailles, plus le sol sera perméable, et vice versa. Classification des grains selon leur diamètre et la nature du sol: # Gravier ; > 2mm # Sable grossier ; > 0.2 à 2mm < # Sable fin ; > 0.02 à 0.2 mm < # Limon ; > à 0.02 mm < # Argile ; > moins de 2 u L infiltration dans le sol L'infiltration des eaux de pluie dans un sol est limitée par ce qu'on appelle la capacité d'infiltration. Si l'intensité de pluie est supérieure à cette capacité, l'excédent ne pourra pas s'infiltrer, mais ruissellera sur le terrain. Lorsque le sol est sec, la capacité d'infiltration est très forte ; elle diminue ensuite avec la saturation des interstices du sol. La couverture végétale influence sur le ruissellement, le taux d'évapotranspiration et sur la capacité de rétention du bassin. Le coefficient de ruissellement ; IPA i : indice de précipitations antérieures au jour i [mm] IPA i-1 : indice de pluies antécédentes au jour i-1 [mm] ; P i-1 : précipitations tombées au jour i-1 [mm] ; K : coefficient inférieur à 1, en général compris entre 0,8 et 0,9. indice des précipitations [P] antécédantes Chapitre III Précipitations ; sources, mesures et variabilités Mécanismes de formation de la pluie! Condensation ; changement de l état gazeux à l état liquide.! Condition pour la condensation: l air doit être saturé or proche de saturation + noyaux de condensation.! Noyaux de Condensation: particules d aérosols: poussières, sels, pollution.! Taille des aérosols: 10-3 to 10 µm. Il existe différents types de précipitations (mécanisme de précipitations) : Les précipitations convectives, les précipitations orographiques et les précipitations frontales )"

8 Les précipitations de nature convective ; o Précipitations dues à des mouvements convectifs dans l atmosphère o Ascension rapide des masses d'air dans l'atmosphère. o Associées aux cumulus et cumulo-nimbus, à développement vertical important, et sont donc générées par le processus de Bergeron. o Précipitations résultantes sont en général orageuses, de courte durée, de forte intensité et de faible extension spatiale. Les précipitations de nature orographique ; o Liées aux $effet de barrage$ et $effet de foehn$ o Précipitations causées par l ascension d air humide au-dessus d une barrière orographique o Rencontre entre une masse d'air chaude et humide et une barrière topographique particulière. o Précipitations pas «spatialement mobiles» qui se produit au niveau des massifs montagneux. o Caractéristiques dépendantes de l'altitude, de la pente et de son orientation, mais aussi de la distance séparant l'origine de la masse d'air chaud du lieu de soulèvement. Les précipitations d origine frontale ; o Précipitations causées par la dilatation d un air humide s élevant le long ou au voisinage d une surface frontale o Associées aux surfaces de contact entre deux masses d'air de température, de gradient thermique vertical, d'humidité et de vitesse de déplacement différents, que l'on nomme «fronts». o Les fronts froids (une masse d'air froide pénètre dans une région chaude) créent des précipitations brèves, peu étendues et intenses. o Du fait d'une faible pente du front, les fronts chauds (une masse d'air chaude pénètre dans une région occupée par une masse d'air plus froide) génèrent des précipitations longues, étendues, mais peu intenses. Mesures des précipitations Mesures ponctuelles de la pluie Pluviomètre : instrument de base de la mesure des précipitations liquides ou solides. Il indique la quantité d'eau totale précipitée et recueillie à l'intérieur d'une surface calibrée dans un intervalle de temps séparant deux relevés. Pluviographe : instrument captant la précipitation de la même manière que le pluviomètre mais avec un dispositif permettant de connaître, outre la hauteur d'eau totale, leur répartition dans le temps, autrement dit les intensités. Erreurs de mesures des précipitations Presque toujours dans le sens de sous-estimer la «vraie» pluie: évaporation, vent, mouillage, erreurs de captation, de représentativité spatiale [erreur systèmatique] ou des erreurs dues à l appareil [erreur aléatoire] Le radar météorologique Un radar météorologique est un radar à impulsions, c'est-à-dire qu'il émet des impulsions de très courte durée suivi d'un temps mort beaucoup plus long pour $écouter$ les échos de retour venant des précipitations. On peut ainsi repérer la position, l'intensité et le déplacement de ces dernières. L intensité du signal reçue est proportionnelle à la taille des particules et à leur nombre (relation avec l intensité). *"

9 Les radars en Suisse Dôle (Jura vaudois), Albis (région zurichoise), Monte Lema (au Tessin) Informations collectées au centre météorologique de Zurich, traitées et assemblées, et distribuées aux 3 centres de prévision (Genève, Zurich et Locarno). Images actualisées toutes les 5 et qui peuvent être visualisées sous forme d'animations. Résolution spatiale 1x1x1 km3, échos dus aux reliefs supprimés. Précipitations en Valais moins visibles car les Alpes masquent partiellement la vallée du Rhône. Attention : L'interprétation des données radar dépend de plusieurs hypothèses qui ne sont pas toujours remplies:! Relation directe entre le retour et le taux de précipitation! Le volume sondé par le faisceau est rempli de cibles (gouttes, flocons, etc.) météorologiques, toutes du même type et à une concentration uniforme! Le faisceau radar se propage dans l'atmosphère et rencontre bien des choses en plus de la pluie ou de la neige. Il faut donc savoir reconnaître la signature de ces artéfacts pour pouvoir interpréter correctement les données. Pluies ponctuelles et averses Averse: épisode pluvieux continu, pouvant avoir plusieurs pointes d'intensité. L'intensité moyenne (im) d'une averse s'exprime par le rapport entre la hauteur de pluie observée h et la durée t de l'averse i m = h/t Le temps de retour Définition : Période de retour, période de récurrence : Moyenne à long terme du temps ou du nombre d'années séparant un événement de grandeur donnée d'un second événement d'une grandeur égale ou supérieure. Caractéristique de fréquence d apparition d'un phénomène liée à la probabilité d'un événement à un moment donné. Pour une série chronologique donnée: Calculer la probabilité qu un évènement ne soit pas dépassé ; F(xi) est la fréquence de non-dépassement. On calcule ensuite son complément 1-F(xi), qui s appelle la fréquence ou probabilité de dépassement. Temps de retour: inverse de la fréquence d'apparition de l'événement Les courbes IDF [intensité durée - fréquence] Une pluie est caractérisée par: hauteur totale de pluie, durée, intensité moyenne, intensités maximales sur des intervalles de temps quelconques, Construction d une courbe : K : coefficient fonction du lieu et du temps de retour B une constante de lieu [min]. r : intensité spécifique moyenne d'une pluie d'une durée de t minutes atteinte ou dépassée en moyenne une fois toutes les T années [l/s/ha] Pluie spatiale : Methode de la moyenne arithmétrique :! On mesure les précipitations à 3 endroits différents du BV. On fait ensuite la moyenne de ces 3 mesures pour obtenir une lame d eau moyenne +"

10 Méthodes des polygones de Thiessen :! Chaque point dans le bassin reçoit la même hauteur de pluie que le point où se trouve le pluviomètre le plus proche! Etapes de la méthode:! Tracer les lignes qui lient les stations! Tracer les perpendiculaires bissectrices des lignes dessinées au point 1! Prolonger les lignes du Point 2 pour former des surfaces représentatives des stations! Calculer l aire de chaque surface représentative! Calculer la pluie moyenne spatiale en utilisant la formule pondérée Méthodes des Isohyètes :! Construire les isohètes (interpolation) [lignes d égales hauteur de pluie]! Calculer l aire entre chaque paire d isohyètes adjacentes (A i )! Calculer la pluie moyenne pour chaque paire d isohyètes adjacentes (p i )! Calculer la pluie moyenne spatiale avec la formule: N 1 P =! A P i i A i= 1 Chapitre IV Evaporation et interception Définitions : Evaporation # Transfert de l eau dans l état vapeur au-dessus d une nappe d eau, du sol humide, de la végétation mouillée par la pluie et de toutes autres surfaces où l eau liquide est exposée à l air ambiant. # Evapotranspiration potentielle [ETP] : ensemble des pertes en eau par évaporation et transpiration d une surface de gazon de hauteur uniforme, couvrant totalement le terrain, en pleine période de croissance, recouvrant complètement le sol et abondamment pourvu en eau # Evapotranspiration réelle [ETR] : somme des quantités de vapeur d eau évaporées par le sol et par les plantes quand le sol est à son humidité spécifique actuelle et les plantes à un stade de développement physiologique et sanitaire réel Transpiration # Transfert de l eau dans l état vapeur par la voie du processus de transpiration à partir des stomates des feuilles dans une couverture végétale Interception # Eau retenue par la couverture végétale Infiltration # Mouvement de l eau pénétrant dans un milieu poreux depuis la surface du sol o Capital pour la compréhension des mouvements de l eau à la surface de la terre. Difficile à mesurer. Evaporation : 3 conditions prérequises 1. Disponibilité d énergie 2. Mécanisme de transfert 3. Disponibilité de l eau à la surface!,"

11 1. Disponibilité d énergie le moteur du cycle hydrologique # La source principale d énergie (le Soleil) est d origine électromagnétique # Watt : mesure de l intensité de la radiation [W/m 2 ] # Absorption, réflexion et diffusion du rayonnement solaire ; o Rayonnement direct o Rayonnement réfléchi par le sol o Rayonnement diffus o " grande importance de l albédo [% de radiation réfléchie à la surface terrestre pour une zone irradiée] La notion de rayonnement net [RN] et bilan énergétique à la surface du sol Rayonnement net! RN = (RS+RA)*(1-a) RT # RN : rayonnement net # RS : rayonnement solaire o " [RN + RS] ; flux énergétique venant du soleil ([342 W/m 2 ] en moyenne sur toute la surface du globe) # RA : rayonnement atmosphérique # a : force de l albédo [%] # RT : rayonnement terrestre o RT ; flux de chaleur venant de l intérieur de la Terre ([0.1 W/m 2 ] en moyenne) o Valeur souvent négligée (car négligeable) Bilan énergétique à la surface du sol! RN = QL+QS+QC+(Qfn+Qph) [W/m 2 ] # QL : flux de chaleur latente o Chaleur impliquée dans les changements d état (de l eau) o o Responsable de l évaporation et de l évapotranspiration La chaleur latente est une chaleur non ressentie ; l énergie est emprisonnée à l intérieur de la vapeur d eau et relâchée par condensation # QS : flux de chaleur sensible o Flux de chaleur turbulent ; le transfert se fait par turbulence o C est le mécanisme principal de réchauffement de la troposphère o Ce réchauffement est initié à l interface sol/atmosphère [par des mouvements laminaires] # QC : flux de chaleur pénétrant dans le sol o Transfert par conduction contact moléculaire o Dépend fortement de la conductivité thermique du milieu et du gradient de température o Fonctionne selon des cycles journaliers et /ou saisonnier # Qfn : flux de chaleur utilisé dans la fonte de la neige # Qph : flux de chaleur utilisé dans le processus de photosynthèse végétale Mais : # <5% de RN est dirigé vers Qfn et Qph (moyenne annuelle) # Qfn n est actif que quelques semaines au printemps (>5% de RN) et Qph en été # " Qfn et Qph négligés dans le calcul de RN [moyenne annuelle]! RN = QL + QS + QC!!"

12 2. Mécanisme(s) de transfert Déficit de saturation et vitesse du vent Définition : # Déficit de saturation : correspond à la quantité d eau dont un air a besoin pour être amené à saturation [ (e S -e A ) ] # Pression de vapeur saturante : pression à laquelle la phase gazeuse d une substance est en équilibre avec sa phase liquide ou solide. o C est donc la pression à partir de laquelle il y a condensation. Dépend de T. " E = f(u) * (e S -e A ) où E est le taux d évaporation, et f(u) une constante liée au vent. e A : pression effective ou actuelle de la vapeur d eau dans l air e S : pression de vapeur d eau à saturation à la T de la surface évaporant Humidité relative C est un rapport entre la quantité d eau contenue dans une masse d air et la quantité maximale d eau que peut contenir cette masse d air H r : ( e S /e A ) * 100 [%] avec : # e A ; pression de vapeur d eau effective ou actuelle # e S ; pression de vapeur d eau à saturation Point de rosée Le point de rosée indique la quantité d humidité dans l air. La température du point de rosée est définie comme la température à laquelle l air devrait se refroidir (à pression constante et contenu constant de vapeur d eau) afin d atteindre saturation. 3. Disponibilité de l eau à la surface Trois différents cas : 1. Surface aride! Aucune eau disponible. Déserts et surfaces pavées p. ex.! Dans ces conditions, il n y a presque pas d évaporation 2. Surface liquide! L eau est pleinement disponible et l évaporation se produit sans limite 3. Surface ni tout à fait sèche, ni tout à fait liquide! C est généralement le cas des sols, qu ils soient nus ou qu il supportent une végétation quelconque (herbes, cultures, forêts) 4. Autres facteurs influençant l évaporation À partir d une surface d eau libre # Etendue # Salinité # Profondeur o Dans un premier temps, un lac profond évapore plus qu un peu profond À partir d un sol nu # Teneur en eau du sol # Capillarité # Couleur (influence directe de l albédo) À partir d une surface de neige # Sublimation (de moindre importance)!$"

13 Interception L interception des précipitations est principalement du au rôle de la couverture végétale. Elle se mesure comme suit ; I = P i (P s +P t ) où ; I : interception [mm] P i : pluie incidente [mm] P s : pluie atteignant le sol et drainée au travers du couvert végétal (canopée) [mm] P t : pluie atteignant le sol par écoulement le long des branches et des troncs [mm] Infiltration L infiltration est le transfert de l eau à travers les couches superficielles du sol. Ce phénomène est capital pour la compréhension des mouvements de l eau à la surface de la terre. Il et par contre très difficile à mesurer. L infiltration se calcule comme étant l intégrale du taux d infiltration. I(t) =!i(t)*dt où # Le taux d infiltration i(t) [mm/h] : flux pénétrant dans le sol en surface # L infiltration cumulative, notée I(t), est le volume total d eau infiltrée pendant une période donnée. Elle est égale à l intégrale dans le temps du régime d infiltration La conductivité hydraulique La conductivité hydraulique à saturation Ks est un paramètre essentiel de l infiltration. Il représente la valeur limite du taux d infiltration si le sol est saturé et homogène. La capacité d infiltration Ou capacité d absorption. Flux d eau maximal que le sol est capable d absorber à travers sa surface, lorsqu il reçoit une pluie efficace ou s il est recouvert d eau. Facteurs influençant l infiltration # Type de sol (structure, texture, porosité) # Force de capillarité # Couverture du sol # Topographie et morphologie # Intensité de la précipitation # Conditions antécédentes d humidité Chapitre VI Processus hydrologiques et séparation des hydrogrammes Hydrogramme d une crue # Le débit de base correspond au débit de la nappe. # Le temps de montée de la crue est la durée qui s écoule entre le début de la montée du niveau d eau et la pointe de la crue. # La pointe de crue, ou débit de pointe, est le débit maximum observé au cours d une crue. # Le temps de base est la durée qui s écoule entre le début de la montée du niveau d eau et la fin du ruissellement pur de la crue. # Le temps de réponse est la duré qui sépare le maximum de l épisode pluvieux et le moment du débit de pointe!%"

14 Les écoulements ; définition et typologie L écoulement est qualifié selon l intensité de la pluie et de la capacité d infiltration # Ecoulement de surface / ruissellement: Part d'eau qui, après une averse, s'écoule plus ou moins librement à la surface des sols.! = f(intensité des précipitations, capacité à saturer rapidement les premiers centimètres du sol, avant que l'infiltration et la percolation, phénomènes plus lents, soient prépondérants) " Dépend des caractéristiques pédologiques/géologiques! Ecoulement par dépassement de la capacité d'infiltration (écoulement hortonien),! écoulement sur surfaces saturées # Ecoulement de subsurface (écoulement hypodermique) : Contribution des horizons de surface partiellement ou totalement saturés en eau + nappes perchées temporairement au-dessus des horizons argileux.! écoulement hypodérmique! écoulement par macropores # Ecoulement de subsurface: Capacité de vidange plus lente que l'écoulement superficiel, mais plus rapide que l'écoulement différé des nappes profondes.! Aquifère = milieux poreux totalement saturé en eau (contenant et contenu)! Nappe = volume d eau d un aquifère " Ne pas oublier les écoulements dus à la fonte des neiges Ecoulement de type Hortonien Les deux mécanismes hydrologiques principaux régissant cet écoulement sont : # i ; la pluie # f ; l infiltration Si i>f, il y a crue (rainfall excess), sinon il y a infiltration. Ce modèle d écoulement est applicable selon plusieurs paramètres ; il faut : # Des surfaces imperméables (zones urbaines, p ex) # Des pentes raides avec des sols minces # Des sols hydrophobiques (ou compactes) Ecoulement par excès de saturation Ce type d écoulement se localise souvent au pied des versants et à proximité des cours d eau. Le sol est saturé par le bas à cause de l écoulement de subsurface, donc, toute pluie tombant sur une surface saturée devient du ruissellement. Processus : 1. Infiltration 2. Saturation de la nappe 3. Montée du niveau de la nappe en surface 4. Ecoulement de surface Ce type d écoulement favorise fortement l extension des zones contributives Ecoulement de subsurface L écoulement de subsurface survient lorsqu il y a déplacement latéral de l eau dans le sol de la zone non-saturée (zone vadose). La zone vadose joue alors un rôle de filtre ; c est dans cette zone que s écoule la partie la plus importante des écoulements. Cet écoulement de subsurface est le mécanisme primaire de génération des crues lorsque i>f!&"

15 Il peut se produire de plusieurs façons : # Par écoulement matriciel ;! Ecoulement latéral de l eau préexistante déplacée sous l influence de la pluie! Ensuite, la conductivité latérale de subsurface est plus grande que la conductivité verticale! La porosité et la perméabilité plus grande dans la proche subsurface # Ecoulement par macropore ;! Il y des déplacements de l eau dans les macropores (conduites dans les sols) Cet écoulement par macropore permet de drainer de plus grandes quantités d eau que l écoulement matriciel (part de l écoulement préférentiel) " Slide «Haute-Mentue catchment» Plus c est violé/bleu, plus c est saturé. Au bout de la séquence, on voit que la nappe se met en place. C est dès ce moment que se met en place un écoulement de surface.!"#$%&'()*+,-&%+."+$)-%()/'0#%((&()123'0-04*5&%() Sol épais Faible pente Sol épais Pente forte " Végétation éparse Climat aride à sub-aride Végétation humide Climat humide! Le traçage (environnemental) Principe Si l on connaît la composition chimique de la rivière et de l eau de pluie, on peut déterminer la concentration du traceur. La concentration (naturelle) du traceur est différente dans chacun des compartiments. Il y a deux types de traceurs (principaux) ; # Traceurs isotopiques/naturels ( 18 O, 2 H, 3 H) ou chimiques (ANC, Ca 2+, Cl - ) # Traceurs réactifs ou conservatifs Les isotopes # Atomes du même élément avec un nombre différents de neutrons # 18 O et 2 H font partie de la molécule d eau # Ils sont conservatifs à température ambiante!'"

16 Les modèles Modèle mathématique Hypothèse : # Les signatures chimiques des sources sont différentes # La signature chimique de chaque composante est maintenue tout le long de son transit depuis sa source jusqu à la rivière Modèle de mélange # Principe de la conservation de masse de l eau et du traceur Modèle de mélange isotopique à deux composantes et un traceur Conditions : # Eau ancienne, caractérisée par une valeur isotopique unique ou variation connue # Eau nouvelle, caractérisée par une valeur isotopique unique ou variation connue # Signal isotopique de l eau ancienne significativement différent de celui de l eau ancienne significativement différent de celui de l eau nouvelle # Contribution de l eau du sol négligeable ou prise en compte # Contribution de l eau stockée en surface négligeable Chapitre VII Hydrométrie La mesure des débits Hydrométrie Branche de l hydrologie ; méthodologie et technique de la mesure des hauteurs d eau et des débits dans les cours d eau. Station hydrométrique Section d un cours d eau où sont mesurés : # la côte de la surface d eau libre (limnimétrie = niveau de l eau) : h [m] # le débit du cours d eau (débimétrie) : Q [l/s ou m 3 /s] " Il faut une étape intermédiaire : mesurer la hauteur d eau de la rivière ; Passer de la mesure de la hauteur au débit " courbe de tarage : courbe qui nous permet de déterminer le débit par rapport à la hauteur " Le débit est une mesure indirecte Principe de fonctionnement d une station hydrométrique : # L écoulement dans une section limnimétrique se trouve sous contrôle lorsque la géométrie d un bief reste invariable et qu un même débit s écoule toujours sous la même hauteur. Plusieurs critères sont nécessaires pour l implantation ; o Accessibilité permanente o Stabilité du lit et seuil de contrôle stable o Bonne sensibilité o Bief rectiligne o Absence de débordement o Emplacement favorable pour l implantation aux échelles Difficultés des mesures Il peut y avoir beaucoup de difficultés à mesurer le débit en continu ; les technologies sont existantes mais très coûteuses (débitmètre à ultrasons p. ex.). Il faut également un suivi continu de la hauteur d eau. C est pour cela qu il faut déterminer une courbe d étalonnage ou courbe de tarage pour le cours d eau, afin de l ajuster.!("

17 Les méthodes $à l ancienne$ fonctionnent parfois mieux que les récentes, mais le temps qu elles demandent est plus grand ; on les utilise encore pour vérifier les appareils de mesures (on utilise souvent des échelles limnimétriques au préalable). Les différents type de capteurs limnimétriques Les codeurs à flotteurs (limnigraphe) Principe : # Les variations de hauteurs d eau entraînent un mouvement du flotteur # Une roue codeuse (poulie/câble) convertit le mouvement en un signal électrique proportionnel à la variation du plan d eau Les capteurs de pression hydrostatique Principe : mesure de la pression hydrostatique de la colonne d eau # Déformation d une membrane souple sous l effet de la pression hydrostatique # Transformation de la déformation mécanique en signal électrique par un transducteur # Transducteur les plus utilisés : jauges de contraintes métallique ou céramique Avantages : installation simple et grande précision Inconvénients : dérive liée à la déformation de la membrane (recaler périodiquement la sonde), envasement, la mise à l air prolongée (étiage) peut endommager la sonde Les capteurs à ultra-sons Principe : mesure de temps de parcours aller-retour d une onde ultrasonore # La hauteur (h) du plan est déduite du temps de propagation de l onde vers plan d eau # 2 types : capteurs immergés et aériens # Avantages : mesure des écoulements chargés (ultra-son aérien) # Inconvénients : facteurs d influence difficile à prendre en compte ; T, salinité, vent Mesure du débit autres approches indirectes Approches hydrauliques # Lois de l hydraulique / Manning # Conditions d application ; o Section transversale uniforme o Ecoulement uniforme en nappe libre, induit uniquement par la force de gravité (pas sous l effet de la pression) o Connaissance de la rugosité du canal # Mesures ; hauteurs :! Calcul de la surface et du rayon hydraulique! Détermination de la pente de la surface de l eau Exploration du champ de vitesse # Principe : échantillonnage du champ de vitesse et détermination de la section transversale # Jaugeage au moulinet : jaugeage par exploration du champ des vitesses Détermination du débit d un cours d eau en mesurant, dans une section droite, la vitesse du courant en un certain nombre de points dont on mesure également la profondeur, et en faisant la somme des produits des vitesses moyennes par les aires élémentaires auxquelles elles s appliquent!)"

18 Approche chimique Recommandé pour les sites ou les autres méthodes ne conviennent pas (faible profondeur, fortes pentes, vitesse et turbulence très élevée). Certaines conditions sont également à respecter (mélange complet et homogène, pas d absorption du traceur et débit constant de la rivière). Le choix des traceurs et leurs propriétés - est important : Bonne solubilité et stabilité du traceur, absent naturellement Chapitre X Courbe des débits classés et étiage Les écoulements Rappel Les écoulements sont définis par la relation entre l intensité des précipitations et la capacité d infiltration des sols : Si P>I " Ruissellement de surface Si P<I " Remplissage de la nappe par infiltration successive puis ruissellement par augmentation du niveau de la nappe Courbe de tarissement : Décroissance du débit d eau souterraine qui contribue aux eaux de surface pendant des périodes sans alimentation, due à la diminution de la réserve d eau souterraine (Tarissement = décroissance) Tarissement simple, non-influencé, influencé Tarissement simple Tout tarissement de nappe, de source, de cours d'eau qui se déroule en conditions semblables à la décharge, en régime non influencé (dû à l'apport de pluie par exemple, pendant la période de tarissement), d'une nappe captive ou d'une nappe libre, profonde ou phréatique. " a) non-influencé " b) influencé!*"

19 Les études relatives à la variation du débit des sources ont servi de base à celles du tarissement des cours d eau. Le tarissement simple, non influencé par les précipitations, peut être ainsi exprimé : Q = Q 0 * e " t [Exp simple] Avec : - Q = débit d étiage au temps t [m 3 /s] - Qo = débit initial (au début du tarissement) [m 3 /s] - " = coefficient de tarissement Une fois le coefficient de tarissement déterminé, cette formule permet de calculer le débit d étiage [Q] en tarissement non influencé après un certain temps [t], à condition de connaître le débit initial [Q 0 ]. Le débit Q 0 est un indicateur du volume d eau disponible dans le réservoir sol. Le coefficient de tarissement quant à lui, caractérise la vitesse de vidange. Les valeurs Q 0 et # varient en fonction du temps avec l évapotranspiration et les pluies. Application de la loi de tarissement simple " Passer de l exponentielle au log. Processus hydrologiques et séparation des hydrogrammes par méthode graphique Ceci alimente fortement la rivière ; une fois que l évènement pluvieux se termine, on voit que la nappe est le principal élément d alimentation. À partir de ce point commence la courbe de tarissement. Quelques définitions Etiage : Le plus bas niveau des eaux d un cours d eau. Le débit d étiage est le débit correspondant à ce niveau. Débit annuel d étiage Débit journalier le plus faible observé au cours de l année (hydro ou calendaire) Débit absolu d étiage Débit journalier le plus faible survenu au cours de la période d observation (sur plusieurs années)!+"

20 Débit caractéristique moyen d étiage Débit dépassé en moyenne 355 jours par an au cours d un certain nombre d années Ces débits s obtiennent à partir de la courbe de débits classés (obtenue en organisant les débits mesurés pendant l année) Régimes hydrologiques et étiages La période d apparition et la sévérité des étiages sont étroitement liées au régime hydrologique du cours d eau. Le critère habituellement utilisé pour la classification des régimes est la répartition annuelle des moyennes mensuelles des débits, calculées à partir d une série d observations aussi longue que possible. Pour pouvoir facilement comparer les rivières entre elles et avoir une représentation uniforme, on utilise souvent les coefficients mensuels de débits, c est à dire les rapports des moyennes mensuelles au module inter-annnuel (moyenne inter-annuelle des débits moyens annuels). On obtient ainsi une répartition en pourcent des débits mensuels au cours de l année. Importance des débits caractéristiques d étiage Notions de législation Le projet de loi pour la protection des eaux consacre un chapitre au maintient des débits convenables dans les cours d eau de Suisse. Le but de cette loi est de protéger les cours d eau contre la pollution et $les interventions pratiquées lors de la modification des rives par déblayage ou remblayage ou des préjudices portés aux eaux souterraines par des retenues ou des drainages$. Le champ d application de la loi ne concerne que les cours d eau à débit permanent, c est-à-dire ceux qui $transportent de l eau plus de 347 jours en moyenne par année en se basant sur une période de mesure d au moins 10 ans$. L application de la loi sur le maintien d un débit $convenable$ dépend de la détermination du débit minimum. Le calcul proposé se fonde essentiellement sur la formule empirique de Matthey qui exprime le débit minimum en fonction de Q300. # Pour les cours d eau de faible importance, à équilibre écologique très fragile, l utilisation des eaux n est possible que si l on conserve un débit supérieur à 50 l/s # Les cours d eau de moyenne importance o Soit 60 [l/s] > Q347 > 160 [l/s]" 0.8 * Q347 o Soit 160 [l/s] > Q347 > [l/s] " Formule de Matthey # Les cours d eau de grande importance, un débit minimal fixe est imposé et correspond à Qmin = 10'000 l/s En conclusion L analyse des étiages et la détermination des débits caractéristiques d étiage (Q300 et Q347) sont très importants pour : a) Transport des sédiments b) Qualité de l eau c) Écologie des rivières d) Production/potentiel hydroélectrique e) Impact des changements climatiques $,"